微放電檢測(cè)新方法研究范文

本站小編為你精心準(zhǔn)備了微放電檢測(cè)新方法研究參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫(xiě)作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《空間電子技術(shù)雜志》2015年第一期

1微放電檢測(cè)方法分析

盡管國(guó)內(nèi)外對(duì)微放電的測(cè)試已經(jīng)研究出了幾種檢測(cè)方法，常用的有近載波噪聲檢測(cè)、諧波檢測(cè)和反射功率檢測(cè)［5］，但是這些檢測(cè)方法主要都是針對(duì)連續(xù)波測(cè)試，對(duì)于大功率微波器件，使用脈沖的測(cè)試的還存在一定局限性。下面將對(duì)其進(jìn)行分析，對(duì)于在脈沖工作條件下的性能將重點(diǎn)分析。

1．1近載波噪聲檢測(cè)微放電會(huì)增加載波附近頻率的噪聲。鑒于微放電可以導(dǎo)致載波附近頻段內(nèi)噪聲電平的抬高，通過(guò)尖銳窄帶濾波器，濾除載波后在其附近頻段內(nèi)噪聲電平的提高可以用頻譜儀檢測(cè)來(lái)判斷是否發(fā)生放電。所以這種方法可以靈敏的檢測(cè)到放電。這種方法可以應(yīng)用于單載波或多載波信號(hào)，但是這種方法如果用于脈沖就比較困難，若脈沖長(zhǎng)度和形式選擇不當(dāng)，則脈沖會(huì)在測(cè)試頻段內(nèi)產(chǎn)生諧波，這樣就很難濾除脈沖頻譜分量及其諧波，從而難以確定底噪的變化。由于需要尖銳的窄帶濾波器濾除載波，可以看出這種檢測(cè)方法對(duì)頻率有很強(qiáng)依賴性，建立系統(tǒng)比較復(fù)雜。同時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)中如N接頭松動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致類似放電的噪聲，還有許多不同的原因會(huì)導(dǎo)致噪聲。因此，這種方法需要與其他檢測(cè)方法一起來(lái)檢測(cè)判斷是否放電。

1．2諧波檢測(cè)微放電會(huì)導(dǎo)致非線性，從而產(chǎn)生低電平諧波分量。在這種情況下會(huì)檢測(cè)到許多不同的頻率，但是三次諧波總是會(huì)存在的，因此對(duì)諧波進(jìn)行檢測(cè)是一個(gè)非常好的選擇。這是一種非常快而且可靠的檢測(cè)方法，在進(jìn)行多載波微放電檢測(cè)時(shí)適合選擇這種檢測(cè)方法，因?yàn)樵诙噍d波情況下微放電現(xiàn)象的發(fā)生時(shí)間非常短。但是它不適用于脈沖工作條件下，因?yàn)橹C波很容易被系統(tǒng)與被測(cè)件的本征諧波和脈沖的諧波分量以及無(wú)源互調(diào)(PIM)信號(hào)所掩蓋。在實(shí)際應(yīng)用中，隨著使用的頻率提高，諧波檢測(cè)法對(duì)檢測(cè)設(shè)備提出了更苛刻的要求，對(duì)于使用帶來(lái)了條件限制。

1．3反射功率檢測(cè)在不同的微波部件中(例如在同軸電纜和微波設(shè)備之間)的失配會(huì)導(dǎo)致反射功率，在一個(gè)良好設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，對(duì)每一個(gè)不同部件間的匹配連接進(jìn)行了良好的設(shè)計(jì)后，反射功率一般很小。高Q器件只是在一個(gè)特定頻率(或者幾個(gè)特定頻率)上良好匹配，如果器件的性能變動(dòng)很小，將導(dǎo)致器件的失諧和匹配能力的下降，從而導(dǎo)致反射功率的增加。微放電是一種會(huì)導(dǎo)致高Q器件失諧的現(xiàn)象，從而產(chǎn)生較高的反射功率，通過(guò)測(cè)量正向和反向功率可以判斷是否發(fā)生了放電，或者把正向和反向功率送入調(diào)零單元，通過(guò)觀測(cè)調(diào)零電平的變化也可以靈敏的判斷是否放電。這種方法很可靠，因?yàn)樵谝粋€(gè)良好匹配設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，幾乎沒(méi)有可能造成失配。但是對(duì)于低Q器件和匹配較差的器件，這種方法靈敏性較差，甚至在被測(cè)器件表面有污染或者被測(cè)件有損耗時(shí)，這種方法會(huì)出現(xiàn)誤判。例如，現(xiàn)在常用的前后向功率測(cè)試以及調(diào)零測(cè)試盡管可以檢測(cè)出被測(cè)件是否發(fā)生了放電，但是當(dāng)被測(cè)件有損耗或者表面有污染時(shí)，也可能會(huì)誤判為放電。由以上對(duì)于3種常用微放電檢測(cè)方法的分析可知，目前的檢測(cè)方法都可以在一定程度上檢測(cè)出被測(cè)件是否發(fā)生放電，但是都存在一定缺陷，因此對(duì)于微放電檢測(cè)方法還有待進(jìn)一步的研究，尤其對(duì)使用脈沖檢測(cè)大功率設(shè)備微放電需要重點(diǎn)研究。在此基礎(chǔ)上，本文提出一種改進(jìn)的檢測(cè)方法，在脈沖工作條件下可以相對(duì)靈敏可靠的檢測(cè)微放電，下面將對(duì)這種方法詳細(xì)介紹。

2脈沖工作條件下利用輔助載波檢測(cè)微放電方法

2．1檢測(cè)方法的介紹脈沖本身頻譜復(fù)雜，且通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)時(shí)會(huì)發(fā)生變化。例如，脈沖在測(cè)試設(shè)備連接處因?yàn)槠ヅ洳缓枚瓷湟徊糠帜芰浚矔?huì)在通過(guò)系統(tǒng)時(shí)被設(shè)備和器件吸收一部分而轉(zhuǎn)換生成熱量，發(fā)生放電時(shí)也會(huì)發(fā)生與噪聲能量的轉(zhuǎn)移，從而導(dǎo)致脈沖頻譜的不確定性。因此，在測(cè)試頻段內(nèi)很難通過(guò)觀測(cè)脈沖頻譜變化來(lái)檢測(cè)放電。由于已有的方法對(duì)脈沖工作條件下微放電測(cè)試存在一定問(wèn)題，本文提出在脈沖工作條件下加入輔助載波的檢測(cè)方法。該方法提出在測(cè)試頻段內(nèi)距離脈沖載頻一定距離處加載一個(gè)輔助載波，利用微放電非線性，通過(guò)檢測(cè)脈沖頻譜與輔助載波的互調(diào)分量來(lái)判斷是否放電。首先，互調(diào)分量是從無(wú)到有的變化，通過(guò)觀測(cè)互調(diào)分量的變化可以靈敏地檢測(cè)出是否發(fā)生了放電;其次，這種通過(guò)觀測(cè)放電前后互調(diào)分量的變化可以消除系統(tǒng)本身互調(diào)分量的干擾，這樣可以可靠地檢測(cè)出是否發(fā)生了放電。由上面的分析可知，新的檢測(cè)方法從理論上可以靈敏可靠的檢測(cè)微放電現(xiàn)象。圖1給出了這種方法的原理圖。圖1中，脈沖發(fā)生器產(chǎn)生選定重復(fù)周期與占空比的脈沖信號(hào)調(diào)制在載波信號(hào)(調(diào)制信號(hào)源1)上，與輔助載波(信號(hào)源2)經(jīng)功率合成器合成后送入行波管放大器，經(jīng)放大后的合成信號(hào)送入真空罐中的被測(cè)件，輸出信號(hào)再經(jīng)定向耦合器送入帶通濾波器，帶通濾波器中心頻率為2f0－f1(即調(diào)制脈沖載波與輔助載波的三階互調(diào)頻率)，帶通濾波器濾出脈沖與輔助載波的通帶內(nèi)的互調(diào)分量，再輸入功率計(jì)測(cè)量互調(diào)分量通帶內(nèi)的功率，即認(rèn)為是互調(diào)分量功率。由于發(fā)生微放電前，通帶內(nèi)主要為噪聲功率，放電后互調(diào)分量從無(wú)到有，互調(diào)分量具體的功率變化幅度與加入的輔助載波功率有關(guān)，因此，測(cè)量互調(diào)分量通帶內(nèi)功率的變化就可以判斷是否發(fā)生了放電。檢測(cè)方法示意圖如圖2所示(圖中橫坐標(biāo)數(shù)值表示偏離脈沖調(diào)制載波的相對(duì)值，縱坐標(biāo)的數(shù)值僅為表示頻譜幅度的為相對(duì)量)。圖2中，調(diào)制脈沖頻譜加入輔助載波后，若發(fā)生放電，在輔助載波關(guān)于脈沖調(diào)制載波的對(duì)稱位置會(huì)出現(xiàn)互調(diào)頻譜，帶通濾波器濾出互調(diào)頻譜，測(cè)量互調(diào)頻譜的功率就可以判斷是否發(fā)生了放電。在這種檢測(cè)方法中，輔助載波頻率的選擇是難點(diǎn)，后面將詳細(xì)分析輔助載波選擇的條件。

2．2輔助載波選擇的條件由于被測(cè)件一般都是帶寬有限的器件，所以輔助載波頻率f1選擇上要靠近脈沖的載波頻率f0，但是其又不能太靠近載波頻率，因?yàn)槊}沖譜分布頻段很寬，太靠近會(huì)使放電導(dǎo)致的互調(diào)頻譜與脈沖頻譜混合而難以分辨。因此，輔助載波頻率選擇要既能通過(guò)被測(cè)件，又能方便準(zhǔn)確檢測(cè)互調(diào)分量。下面介紹輔助載波選擇的具體條件。

2．2．1脈沖譜的能量分布問(wèn)題考慮一般周期信號(hào)為T的周期函數(shù)fT(t)。由于周期信號(hào)fT(t)可展開(kāi)成指數(shù)形式的傅里葉級(jí)數(shù)。分析周期脈沖譜的傅立葉級(jí)數(shù)知，所有脈沖都是離散譜，包含的譜線的頻率點(diǎn)相同，只是不同類型脈沖，相應(yīng)頻點(diǎn)上幅度不同。從能量、功率和功率譜等對(duì)其特點(diǎn)進(jìn)行分析和對(duì)比，矩形波脈沖不但具有高功率，而且還具有陡峭的上升、下降沿，在矩形波脈沖信號(hào)功率譜中，脈沖的功率以及脈沖的頻帶寬度均可由信號(hào)的占空比來(lái)決定，也就是說(shuō)調(diào)整矩形波脈沖的占空比，可以兼顧到功率和頻率兩方面的考慮。鑒于以上因素，工程中在做微放電測(cè)試時(shí)常使用矩形波脈沖。對(duì)于脈沖周期為T=1ms，脈寬為τ=0．1ms的矩形脈沖波(其中fτ=1τ=10kHz為帶寬)，其雙邊頻譜如圖3所示，圖3中脈沖的主要頻譜分布在主瓣內(nèi)，即功率主要集中在主瓣，也就是頻率fτ以內(nèi)。根據(jù)上述數(shù)學(xué)分析計(jì)算可得矩形脈沖功率分配如表1所示。由表1可以看出，在100fτ以內(nèi)，脈沖譜能量已經(jīng)占了總能量的99．9%，即可以認(rèn)為100fτ以外主要為噪聲，所以在100fτ之后加入輔助載波，可以有效地減少脈沖頻譜對(duì)輔載波與脈沖譜互調(diào)產(chǎn)物測(cè)量的影響。即輔助載波頻率f1應(yīng)在f0+100fτ≤f1≤2f0－100fτ范圍內(nèi)選擇，且靠近f0一側(cè)。

2．2．2微放電建立時(shí)間T20與載波頻率的分析微放電的建立需要一定的時(shí)間，ESTEC經(jīng)由計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果修正得到了微放電過(guò)程的建立時(shí)間為“20-gap-crossing”，即20個(gè)電子的間隙渡越過(guò)程，計(jì)算公式為:T20=(20×微放電階數(shù))÷(2×載波頻率)［6］對(duì)于一階微放電而言，T20也就是10個(gè)射頻載波周期。假設(shè)被測(cè)件的測(cè)試頻率為1GHz，根據(jù)T20公式可知，建立微放電至少需要10ns時(shí)間，由于實(shí)際測(cè)試中為了確定測(cè)試功率電平下微放電足夠時(shí)間建立，同時(shí)鑒于高重復(fù)周期脈沖難度大，所以實(shí)際中選擇脈沖的脈寬在微秒數(shù)量級(jí)。例如，對(duì)于C頻段的功放，要求輸入脈沖脈寬τ＞100μs，這樣由矩形脈沖頻譜分析得知在100fτ處，載波頻率與輔助載波間隔1MHz。鑒于上面對(duì)加入輔助載波條件的分析，具體測(cè)試可以根據(jù)使用的頻段計(jì)算間隔頻率(f0與f1差值的絕對(duì)值)，即輔助載波可以在f0±100fτ與2f0±100fτ之間根據(jù)使用條件靈活選擇，在一定頻段加入的輔助載波具有普遍適用性。

3結(jié)論

由以上的分析可知，新方法在理論上可以靈敏可靠的檢測(cè)微放電，在試驗(yàn)中的使用效果還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。后面還需要研究不同測(cè)試頻率，輔助載波頻率及功率選擇的規(guī)則，并與其它檢測(cè)方法相比較，設(shè)法推廣至工程實(shí)踐應(yīng)用。同時(shí)，加入輔助載波思想的提出，在目前僅依據(jù)載波信號(hào)的相關(guān)變化來(lái)檢測(cè)微放電的基礎(chǔ)上，為微放電檢測(cè)提出了新的思路，對(duì)微放電的檢測(cè)方法的研究有一定的指導(dǎo)意義。

作者：魏煥馬伊民單位：中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院